книги из ГПНТБ / Корытов Н.В. Расчеты по динамике корабля учеб. пособие
.pdfтрения используют расчетные формулы, которые были рассмот рены в § I .
Таким образом, полное сопротивление проектируемого корабля на тихой воде может быть выражено следующим равенством:
?'VK |
/ |
\ |
~~2~ |
1Хтрг.п.+ ^ост+ЛХшер+ Хб.ч.+ Хвоэд) ^-к• |
|
При этом величины Цаер~ c |
o n s t i Xinrconst и Xeo3j!|=const |
|
могут быть приняты по прототипу или определены в соответ ствии с рекомендациями § I , если у проектируемого кораб ля имеются существенные отличия по составу и типу вы ступающих частей, размерам и форме надстроек по срав нению с прототипом.
Расчет сопротивления корабля по изложенному методу ведется в табличной форме (табл. 3) и обычно доводится до определения буксировочной мощности.
При пересчете плотность воды для кораблей, плавающих в пресной воде, принимается равной 102 кгс с/ы1, для кораблей, плавающих в соленой воде, <? =104 кгс CJ /MZ '. Кинематический коэффициент вязкости рекомендуетсяббрать для температуры воды t = +4°С, т. e."V =I,57-I0~ мг/с, которая условно принимается для кораблей и судов в СССР.
20
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
3 |
|
|
||
МОДУЛЬ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО |
РАСЧЕТНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ |
||||||||
ПОДОБИЯ |
|
|
|
р =• |
|
|
|
||
|
|
U |
|
51- 5?, |
|
|
|
||
|
|
•"прот |
|
|
|
|
|
||
|
к=- |
|
прот |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||
|
A £iuep— |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
v=i,57-lCf6 -£ |
r = ^ - |
||||
Обозначения величины |
Размер |
|
Номера эксперимен |
||||||
пп. |
и формулы |
|
ность |
|
тальных точек |
|
|||
|
|
|
|
|
|
I 2 3 4 • • • • • • П |
|||
I |
|
2 |
|
3 |
4 5 6 7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
|
|
П Р О |
Т О Т И I |
|
|
|
|
|
|
у прот |
|
м/с* |
|
|
|
|
|
|
|
^прот |
|
кгс |
|
|
|
|
|
|
|
VnpoT |
|
м*/с* |
|
|
|
|
|
|
»прот Ю = m |
•10э |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
'прот |
|
|
|
|
|
|
Кепрртй^П-Упраг-Ю"8 |
|
|
|
|
|
|
|||
2,тр -loMCRenpoT-MO3 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
''прет |
прот |
|
|
|
|
|
|
|
£ ^доя = (?шар + ?МЙД+? в.ч) "Ю |
|
|
|
|
|
|
|||
W ^ 0 = ( ' v - v i - v i i ) 4 0 3 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
"прот |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прот |
ПРОЕКТИРУЕМЫЙ КОРАБЛЬ |
|
|
|
|||
|
прот |
|
|
|
|||||
K |
|
м/с |
|
|
|
|
|
||
V = V,
уз
P-vK
21
I |
2 |
хш |
W ^ I M * 0 * (рис.П1] |
Х1У ^?доп=(?шер+?воад'*'?в.ч) |
|
ХУ |
?K-tfVvill+XIII+XIV 103 |
ХУ1 |
|
ХУЛ |
R K ^ x v - ( x v i ] a |
ХУШ |
E P S K = - ^ = r X V I I X |
Продолжение табл. 3
34 5 6 7 8 9 10
и2/с2
кгс?
Л.С
22
Г Л А В А П
РАСЧЕТЫ ГРЕШЫХ ВИНТОВ
§ 4. Обоснования для выбора типа и количества движителей
Корабельным движителем называют гидравлический меха низм, создающий движущую силу или полезную тягу, необхо димую для преодоления силы сопротивления воды движению корабля и осуществления его поступательного перемещения.
При равномерном прямолинейном движении небуксирного корабля сила сопротивления воды R уравновешивается тя
гой z p P e |
^ создаваемой движителями, т. е. |
||
где |
z p |
|
Zp Pe =R , |
- число движителей. |
|||
У кораблей буксирного типа движущая сила или сила |
|||
тяги |
z p Ре |
должна преодолевать собственное сопротив |
|
ление корпуса корабля R и сопротивление буксируемого |
|||
корабля (воза), т. е. |
|||
где |
21 |
|
zP Pe =R+Z , |
- тяга на гаке, равная сопротивлению буксируе |
|||
|
|
|
мого корабля, |
движущая сила* или тяга создается за счет источника механической энергии главного двигателя. Движитель осу ществляет преобразование механической энергии вращатель ного движения гребного вала в полезную работу поступа тельного движения корабля.
Движители современных кораблей по принципу действия
23
являются гидравлическими или гидрореактивными. Их движу щая сила создается за счет отбрасывания движителем масс жидкости в сторону, противоположную направлению движения корабля. Возникающие при этом реактивные гидродинамиче ские силы воспринимаются рабочим органом (лопастями)
движителя и преобразуются им в силу упора, которая пере дается корпусу посредством гребного вала и упорного под шипника.
Правильный выбор типа и основных элементов движителя, места расположения его за корпусом является одним из важнейших вопросов обеспечения проектируемому кораблю высоких ходовых качеств и определения потребной мощно сти механической установки. Несовершенство корабельного движителя влечет, при заданной скорости хода, увеличение мощности двигателя, повышение расхода топлива и веса си ловой установки в целом. Это в свою очередь приводит к увеличению водоизмещения корабля или к снижению его дальности плавания.
При выборе типа движителя для проектируемого корабля должны учитываться: его назначение и предполагаемый район эксплуатации; величина к. п. д., прочностные, вибрацион ные и кавитационные качества движителя, надежность дей ствия и совершенство конструкции его, а также возмож ность обеспечения кораблю требуемых маневренных и ревер сивных качеств.
На эффективность действия корабельного движителя суще ственно влияет его режим работы, который является основным для данного корабля и определяется скоростью движения при заданных условиях эксплуатации и мощностью главных двига телей.
Эффективность работы корабельных движителей в значи тельной мере зависит также от внешних условий, в которых эксплуатируется корабль. Влияние таких факторов, как ограниченность фарватера, ветровое волнение, близость свободной поверхности приводит к снижению эффективности 24
работы движителей всех типов. Поэтому в каждом конкрет ном случае целесообразно применять движители такого типа, которые наиболее приспособлены для работы в тех или иных условиях эксплуатации корабля и менее чувствительны к возможному их изменению.
Эффективность работы корабельных движителей сущест венно зависит от рационального выбора элементов рабочего органа, от размещения его относительно корпуса корабля и выступающих частей (рулей, кронштейнов гребного вала
и т. п.). Целесообразно размещать движители таким образом, чтобы обеспечить свободное подтекание воды к движителям, исключить просос воздуха к ним из атмосферы и т. д.
На эффективность работы корабельных движителей в значительной мере влияет также соответствие выбранных их элементов заданным условиям эксплуатации корабля и характеристикам его корпуса и главных двигателей.
В настоящее время гребной винт является наиболее распространенным типом гидравлического движителя, что объясняется простотой его конструкции, надежностью в эксплуатации, малым весом и сравнительно высоким к. п. д. (до 0,70-0,75). На кораблях применяют открытые гребные винты и винты в направляющей насадке, винты
фиксированного шага (ВФШ) и винты регулируемого шага (ВРШ), некавитирующие винты и винты кавитирующие, оди ночные и парные винты.
Основной задачей проектирования гребного винта яв ляется обеспечение максимального пропульсивного коэффи циента корабля и заданной скорости хода корабля (тяги на гаке) при полном использовании мощности механической установки. Известно, что ВФШ не может быть использован с одинаковой эффективностью на различных режимах движе ния корабля. Обычно такие гребные винты рассчитываются на режим полного хода. В этом случае полная мощность главного двигателя используется при максимальном к. п. д. винта; гребной винт будет полностью соответст-
25
вовать двигателю. Однако, если в результате изменения сопротивления скорость корабля увеличится или уменьшится, то это соответствие нарушится и гребной винт окажется гидродинамически тяжелым или легким.
Пропульсивные качества корабля на нерасчетных режимах движения и промежуточных скоростях хода корабля могут быть существенно повышены при установке на нем ВРШ. В настоящее время ВРШ получили широкое распространение на кораблях и судах различных типов в сочетании с самыми разными типами главных двигателей. Примерно каждое шестое судно в мире строится с ВРШ. Общая установленная мощность ВРШ в мировом судостроении превысила 10 млн. л. с , а количество эксплуатируемых движителей этого типа состав ляет около 5000. На отечественных судах эксплуатируется около 1400 таких винтов суммарной мощностью более 2 млн. л. с. В мировой практике созданы и эксплуатируются
ВРШ на мощность 30-35 тыс. л. с. с диаметром 8,4 м и массой 65-70 т. Разработаны конструкции ВРШ на мощность 40 тыс. л.с.
Крупнейшим отечественным ВРШ является винт диаметром 6,3 м на мощность 13 тыс. л.с,созданный несколько лет тому назад для газотурбохода "Парижская коммуна". ВРШ в насадке принят к установке на строящемся супертанкере "Крым" водоизмещением 180 тыс. т. Паросиловая установка мощностью 30 тыс. л. с. на этом судне обеспечивает при вод четырехлопастного ВРШ диаметром 7;5 м.
Широкое применение ВРШ, несмотря на более сложную конструкцию и высокую стоимость изготовления, объясня ется рядом технических и эксплуатационных преимуществ их по сравнению с обычными винтами - (ВФШ) .Основкым из этих преимуществ является возможность использования полной мощности главного двигателя на реиагах, отличных от расчетного, и, следовательно, повышения экономичности работы движительной установки. При этом любое значение скорости хода на передаем и заднем ходу обеспечивается 26
без изменения направления вращения гребного винта. Это достигается путем выбора наиболее выгодного сочетания шага лопастей (благодаря возможности их поворота) и ча стоты вращения винта.
Весьма важным свойством ВРШ является использование на заднем ходу 100$ мощности двигателя. Это свойство ВРШ обеспечивает возможность реверса корабля без изменения направления вращения гребного винта, позволяет устанавли вать на корабле нереверсивные двигатели, а на кораблях с паротурбинными и газотурбинными установками отказаться от турбины заднего хода. Кроме того, ВРШ позволяют легко осуществить, дистанционное управление ходовыми режимами корабля без подачи команд в машинное отделение и высокую
степень автоматизации управления двигательно-движительной установкой.
Благодаря возможности управлять скоростью хода путем изменения шага лопастей и частоты вращения ВРШ повыша ются маневренные качества и реверсивные характеристики корабля - сокращается примерно на 40$ время торможения и на 20-25$ уменьшается длина выбега.
ВРШ получили наибольшее применение на кораблях с ди зельными установками, для которых характерно наличие двух или нескольких основных режимов движения. К таким
кораблям и судам относятся: тральщики, буксиры, спасатель ные суда, минные и сетевые заградители, корабли на под водных крыльях. Вместе с тем широкое внедрение на флоте в последнее время газовых турбин способствовало дальней шему развитию ВРШ и расширению области их применения, в частности на кораблях небуксирного типа.
Перспективным является использование ВРШ в составе комбинированных механических установок (например, дизельгазотурбинных). В этом случае ВРШ позволяют оптимально решать задачи совместной работы двигателей формированного и экономического хода, более точно совмещать характери стики движителя и двигателя, выбирать наиболее экономич-
П
ные режимы работы установки для заданных условий движе ния корабля.
В большинстве случаев на каждом гребном валу устанав ливается один гребной винт. Увеличение мощности, подводи мой к движителю, приводит к определенным трудностям в использовании обычных одиночных гребных винтов. В этих условиях значительно возрастают габариты винта, не пред ставляется возможным разместить за корпусом гребной винт с оптимальными элементами, возрастает нагруженность вин та, что приводит к преждевременному возникновению и развитию кавитации на лопастях. Одним из путей решения этой проблемы является применение на крупнотоннажных судах и быстроходных кораблях среднего и небольшого водоизмещения, оборудованных механическими установками большой агрегатной мощности, соосных винтов противопо ложного вращения. В последнее время проводятся теорети ческие и экспериментальные исследования динамических, кавитационных и вибрационных характеристик этих винтов.
Наиболее существенным фактором, повлиявшим на совер шенствование существующих и создание новых конструкций винтов фиксированного шага, явилась кавитация. На быст роходных кораблях находят применение кавитирупцие и сильнокавитирупцие гребные винты, разрабатываются конст рукции кавитирующих ВРП1.
В качестве привода гребных винтов используются гори зонтальные и наклонные гребные валы. На быстроходных кораблях с динамическими принципами поддержания в послед нее время начинают применять z -образные передачи мощ ности, так называемые,угловые колонки.
Наряду с гребными винтами указанных выше типов на быстроходных кораблях устанавливают также водометные движители, которые по своей эффективности уступают некавитирупцим гребным винтам.
28
Выбор количества гребных валов
Выбор количества гребных валов - один из недостаточ но полно разработанных вопросов проектирования корабля, решение которого зависит от многих взаимосвязанных, а иногда и противоречивых факторов. В некоторых случаях число движителей принимается по аналогии с прототипом проектируемого корабля. Однако это не всегда правильно, а иногда даже невозможно ввиду существенного различия между проектируемым кораблем и его прототипом либо по тактико-техническим или технико-экономическим
требованиям, либо по главным размерениям и составу меха нической установки.
Одним из условий, определяющих выбор количества греб ных валов, является требование обеспечения живучести корабельной энергетической установки.
Кроме соображений, связанных с обеспечением живу чести, при выборе количества гребных валов принимаются во внимание:
-величина и распределение передаваемой гребным винтам мощности;
-условия размещения гребных винтов за корпусом корабля;
-необходимость обеспечения управляемости корабля машинами при повреждении рулевого устройства;
-возможность повышения пропульсивных качеств корабля.
Внастоящее время большинство военных кораблей проектируется двухвальными. На некоторых кораблях и ка терах применяют трехвальные и четырехвальные движительнодвигательные установки. Трехвальная компоновка особенно является оправданной в тех случаях, когда в целях повы шения экономичности установки применяют двигатели разных типов для малых и полных ходов. При этом экономический
29